Aufbereiten und Kühlen von Gas – aber richtig

Achten Betreiber bei der Entnahme über Rauchgassonden und den Transport des Gases über beheizte Messgas- und Analysenleitungen tunlichst darauf, die Prozesshalte-Temperaturen so hoch zu halten, dass in keinem Fall eine Taupunktunterschreitung stattfindet, so müssen sie das Messgas kurz vor dem Analysator zur Trocknung präzise auf eine exakte Temperatur herunterkühlen. Denn nur wenige Analysatoren können direkt feuchte und heiße Message verarbeiten. Die eingehende Beschreibung klingt fast paradox und ist einem Neuling im Bereich Gasanalytik zunächst nur schwer zu vermitteln. Um Kondensatbildung zu vermeiden, muss je nach Applikation bereits bei der Gasentnahme die Sonde mit einer Prozesshalte-Temperatur von 180 °C ausgestattet sein, die sich entlang des gesamten Weges zur Gasaufbereitung und Gasanalyse auch nicht ändern darf. Bei der Entnahme und dem Transport ist eine Vielzahl von kritischen Stellen zu identifizieren: Der Übergang von der Rauchgassonde zur Messgasleitung sowie nachgeschaltete Ventile oder Filter müssen konstant auf Temperatur gehalten werden. Hat all dies auch unter der Berücksichtigung teilweiser extremer Umgebungsbedingungen geklappt, kommt der thermodynamisch kritischste Punkt: Das Trocken des feuchten und heißen Messgases durch Kühlung auf eine konstante, niedrige Ausgangstemperatur.

Auf Präzision kommt es an

Die Aufgabe ist gewaltig: Betreiber müssen feuchtes Rauchgas mit einer Eingangstemperatur bis 180 °C möglichst kompakt auf eine konstante Ausgangstemperatur von maximal 5 °C (idealerweise 3 °C) bringen – und dies nicht irgendwie. Der Wärmeübertrager ist das Herzstück eines jeden Messgaskühlers. Er hat dabei nicht nur die Aufgabe, das Messgas herunterzukühlen und zu trocknen, sondern er muss diesen thermodynamischen Prozess mit der geringst möglichen Auswaschung von Gasspuren umsetzen. Insbesondere der Übergang von der heißen Gasphase über die Nebelphase hin zur gekühlten Gasphase stellt die physikalisch komplexeste Herausforderung dar. Eine Vielzahl von Gasen wie Stickoxide (SO2) haben eine gute Wasserlöslichkeit, die das Risiko einer Auswaschung von Gasspuren durch Kondensate erhöht. Die Folgen können ungenaue und verfälschte Messergebnisse sowie hoher Kalibrierungsaufwand der Analysensysteme sein. Dies gilt es zu vermeiden. Neben den ordinären Aufgaben des Kühlens und Trocknens haben sich die Geräte zwischenzeitlich zu richtigen Allroundern, das heißt zu voll integrierten Gasaufbereitungssystemen entwickelt: Über eine Vielzahl von Optionen ist es möglich, Gaspumpen, Filter, Durchflussmesser, Feuchtigkeitssensoren und vieles mehr zu konfigurieren.

Rauchgassonden PSG Basic und PSG Plus

Alle Produkte des Unternehmens verfolgen die gleiche Produktphilosophie: Einmal installiert, sollen Anwender diese mit so wenig Aufwand wie möglich betreiben können. Und dies nicht nur vor dem Hintergrund von Kosteneinsparungen, sondern auch, um eine Hochverfügbarkeit anbieten zu können. Diese Eigenschaft zeigt sich bereits bei der primären Probenaufbereitung oder Rauchgassonde: Die beiden Produktlinien PSG Basic und PSG Plus eint eine besondere Filteroberfläche, die mit ihrem Volumen einmalig im Markt ist. Selbstregelnd über ein Thermostat- oder über einen externen Temperaturregler bis zu 180 °C beheizt, ist der Filter in einem Edelstahlschutzkasten für die Außeninstallation auch unter rauen Bedingungen gerüstet. Die kompakte Bauweise der PSG-Basic-Sonde rüstet der Hersteller mit einer einstufigen Rückspülung für Anwendungen mit kleiner oder mittlerer Staubbelastung aus. Die PSG-Plus-Sonde ist durch ihre doppelte Rückspülung die richtige Lösung auch bei hohen Staubbelastungen. Zudem ermöglicht bei beiden Varianten eine Isoliermanschette einen nahtlosen Übergang in die Messgasleitung – damit auch hier kalte Stellen und Kondensatbildung keine Chance haben.

2.500 verschiedene Analysenleitungen

Hat die Entnahme gut geklappt, ist bereits eine wichtige Grundlage für eine präzise Analyse gelegt: Nun muss diese „nur“ noch konditioniert und temperiert ihren Bestimmungsort erreichen: die Gasaufbereitung und im Anschluss den Analysator. Aber auch dieser Transport ist alles andere als trivial, weshalb der Gasespezialist mehr als 2.500 verschiedene Messgas- und Analysenleitungen anbietet. Dies beginnt beim Außenmantel (neben festen, extrudierten Leitungen aus PVC sind über flexible Polyamid-Ringwell-Leitungen bis hin zu hochflexiblen Leitungen möglich) und erstreckt sich über die Temperaturbereiche von Frostschutz bis 200 °C. Der Anbieter hat eine patentierte Lösung für den Ex-Bereich im Portfolio und kann viele Leitungen via Cut-to-length-Technologie kürzen. Als Partner von Pentair Thermal Management bietet das Unternehmen zudem eine zehnjährige Gewährleistung auf Raychem-Produkte an.

Messgas kühlen, trocknen, filtrieren, dosieren, überwachen, fördern

Endlich am Bestimmungsort angelangt, steht das Gas vor einer kritischen und komplexen Phase: Abkühlung und Aufbereitung. Über die Produktreihe MAK10 bietet das Unternehmen AGT die Möglichkeit, den eigentlichen Kühler über eine Vielzahl von Optionen zu einem kompletten Messgas-Aufbereitungssystem aufzurüsten. Die Vorteile: Filter, Durchflussregler, Feuchtigkeitssensor, Gaspumpe müssen nicht extern auf einer zusätzlichen Montageplatte aufgebracht werden, sondern sind direkt im Gehäuse integriert. Die 45°-Schräge der Gehäusefront ermöglicht es zudem, dass auch bei niedrigen Einbaupositionen alle Angaben des Displays gut abzulesen sind. Optional sind Gehäuse für 19-Zoll-Rack-Einbauten und mobile Anwendungen erhältlich. Das flexible und modulare Design ermöglicht dabei eine gute Integration des Kühlers in jede Applikation. Ein elektronisches System überwacht alle relevanten Betriebsparameter, und potenzialfreie Alarmkontakte ermöglichen eine Fernüberwachung. Die Betriebsparameter speichert das System, das als Kompressor- und Peltier-Kühler erhältlich ist, zur Diagnose in einem Logbuch.

Kompressor-Kühler / Peltier-Kühler

Beim Kompressor-Kühler geschieht die Kälteerzeugung über einen klassischen Kältemittelkreis, bestehend aus Kompressor, Verflüssiger und Verdampfer. Die bei der Kältemittelverdampfung entstehende Kälte nutzt das Gerät zum Kühlen des Gases. Vorteile dieser Technik sind die hohe Leistungsfähigkeit und die daraus resultierende Kompensation selbst ungünstiger Betriebsbedingungen. Der Peltier-Kühler erzeugt die Kälte rein elektrisch über sogenannte Peltier-Elemente. Diese sind elektrothermische Wandler, die bei Stromdurchfluss Temperaturdifferenzen erzeugen. Vorteile sind die kompakte Bauform sowie ein geringes Gewicht, was diese Technologie für mobile Anwendungen besonders interessant macht.

Wärmeübertrager-Systeme

Wie eingangs beschrieben, ist der Wärmeübertrager für mögliche Gasauswaschungen die verantwortliche kritische Komponente und bestimmt maßgeblich die Qualität des Messgases. Die Messgaskühler des Anbieters verfügen über patentierte Wärmeübertrager, deren Design sowie ihre PTFE-Beschichtung gleich drei Vorteile bieten: Die hydrophobe Oberfläche ermöglicht schnelle Bildung und Ausfall besonders großer Kondensat-Tropfen mit reduzierter Oberfläche, das Design nutzt konsequent die Schwerkraft und schließt den sich bildenden Kondensat-Strom ein, und das geringe Volumen sorgt für eine kurze Verweilzeit des Gases im Wärmeübertrager. Durch die so optimierten Oberflächen und Reaktionszeiten ist es möglich, den Kontakt zwischen Messgas und Kondensat und damit die Auswaschung von Gasspuren auf ein Minimum zu reduzieren. Kann der Anwender wegen hochsensibler Messungen (beispielsweise in der Prozessanalysentechnik) nahezu keine Auswaschungen akzeptieren, findet ein besonderes Wärmeübertrager-Konzept Anwendung: ein Zyklon. Hinter diesem Begriff verbirgt sich ein aus Glas gefertigter nach oben hin zulaufender Kegel. Durch die Bauform dreht sich das einströmende Gas mit hoher Geschwindigkeit wie ein Zyklon Umdrehung für Umdrehung von unten nach oben, während das Gerät das Kondensat durch Zentrifugalkräfte an den gekühlten Außenflächen nahezu kontaktlos abscheidet und nach unten ableitet.

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